基于SolidWorks的圆柱齿轮减速器的三维设计及动态仿真

摘 要：减速器是应用于原动机和工作机之间独立的封闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，广泛应用于冶金、矿山、化工、纺织等领域。传统减速器的设计方法过程繁琐、周期长且效率低，因此文章以SolidWorks软件为开发平台，开展两级圆柱齿轮减速器的三维设计和虚拟装配，并对其进行运动仿真，大大提高了产品的开发效率，并为后期减速器的优化设计提供了设计基础。

关键词：减速器；SolidWorks；三维设计；运动仿真

1 研究意义

两级圆柱齿轮减速器是一种节能型的机械传动装置，广泛应用于机械、冶金、矿山、航空等领域，特别在需要较大减速比和较大功率的各种传动中有巨大的市场和应用价值。传统的手工设计方法过程繁琐、周期长、效率低，为此，文章基于虚拟样机技术，利用Solidworks软件对减速器进行三维设计和虚拟装配，之后利用COSMOS Motion软件进行动态仿真及性能分析，不仅可以大大缩短产品开发周期，还能够让设计人员在设计初期阶段就获得充分的信息，考虑更多的设计方案，避免和降低设计风险，并且对于工程应用方面提供了实际的参考价值。

2 两级圆柱齿轮减速器的三维设计过程

在三维设计之前，需要根据两级圆柱齿轮减速器的输入功率、输出转速、传动比等相关参数，确定传动方案。

2.1 传动零件的设计-齿轮的三维设计

根据相关参数设计出减速器中所有齿轮的重要参数，根据参数建立齿轮的草图截面轮廓，之后利用【拉伸】特征得到圆柱体，再利用【拉伸】特征绘制出其中一个轮齿，并进行【圆周阵列】得到所有轮齿，最后利用【拉伸切除】特征挖出轴孔，得到低速轴齿轮的三维模型，如图1所示，用同样方法亦能建立出高速轴齿轮、中间轴小齿轮的模型，图2为高速轴齿轮模型。

2.2 轴的三维设计

两级圆柱齿轮减速器的轴有低速轴和高速轴两种，其三维模型的建立相对较容易，运用几次【拉伸】特征或者绘制出轴向截面图利用【旋转】特征都可得到，图3为低速轴的三维模型。

2.3 箱体的三维建模

减速器的上、下箱体的模型的建立需要综合运用Solidworks中的【拉伸】【拉伸切除】【筋特征】【倒圆角】【阵列】等特征，箱体的选材为灰铸铁，在材料编辑中设定箱体的材料为灰铸铁。上、下箱体的建模设计树及三维模型如图4、图5所示。

2.4 标准件的三维建模

SolidWorks的toolbox插件是一个标准件库，通过参数控制和特征状态控制来驱动三维模型，得到与标准件规格型号相一致的零件造型，即不同标准代号的标准件都建有一个与之相对应的三维零件模型。

标准件库提供的螺栓、螺母、垫圈、销等常用标准件，可以在后续的三维装配时直接采用拖动操作，就可以在模型的相应位置装配指定类型、指定规格的标准件，非常便捷。

3 减速器的虚拟装配

SolidWorks的虚拟装配需要新建一个装配体文件，采用“自上而下”的设计方法将之前建立好的零件模型按照装配顺序逐个插入到装配环境中，并可生成装配及拆卸动画，虚拟装配流程图如图6所示。

减速器的虚拟装配过程：首先插入下箱体零件，之后按照装配顺序逐个插入减速器的齿轮轴、齿轮、端盖、上箱体等零件，根据减速器的功能对各零件之间添加约束配合，完成减速器的虚拟装配，装配完成后可使用动画控制器保存成avi格式的拆卸、装配动画。图7为减速器的装配体模型。

4 减速器的运动仿真

COSMOS Motion是SolidWorks自带的运动分析软件，可实现装配体的工作原理动态仿真，模拟他们的运动行为，准确地了解并分析设计模型的运动性能，并可检验各零件之间是否存在碰撞和干涉现象。

4.1 干涉检查

装配完的模型，并不一定装配正确，为了保证机构运动仿真过程顺利进行，对已装配的产品要进行碰撞干涉检查。利用干涉检查确定装配体各零件是否发生重叠现象，然后根据仿真结果修改设计的零件参数，直到不产生干涉或碰撞，从而达到设计目的。这样，大大简化了产品的设计开发过程，并能有效地提高产品质量。

打开【工具】中的【干涉检查】，选择整个装配体进行所有零件的干涉检查。而齿轮在动态仿真过程中，每齿的啮合都有可能发生干涉，运用插件Motion中的干涉检查，动态观测仿真中每帧的啮合情况，根据干涉体积大小，判断干涉的严重程度，对干涉处进行修改，优化齿轮的设计。

4.2 运动仿真

干涉检查完成后，对装配体进行运动仿真。Solidworks软件的运动仿真是通过【工具】中的插件【solidworks motion】中实现的。其运动仿真过程如下：（1）添加马达。添加旋转马达，确定马达旋转方向，给定输入轴的角速度。（2）添加负载。在输出轴位置添加负载。（3）在模拟工具栏中点击“计算模拟”，即可进行运动仿真，最后保存运动过程的动画。

通过运动仿真，在设计初期就可了解减速器的工作状态及工作性能分析，通过参数化设计便可达到优化设计的目的。

5 结束语

利用SolidWorks软件对两级圆柱齿轮减速器进行三维设计及虚拟装配，并对其进行运动仿真，得到以下结论：

（1）借助虚拟样机技术软件平台，对减速器进行三维设计，直观、合理而又高效率。（2）通过虚拟装配和运动仿真，可直观检测减速器各零件之间的碰撞与干涉，节省了研发时间，并能有效地对设备进行优化设计。

参考文献

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[2]李晓玲.基于SolidWorks的机械产品仿真动画[J].西安航空技术高等专科学校学报，2011（3）：36-38.

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[4]詹迪维.SolidWorks快速入门教程[M].北京：机械工业出版社，2010.

作者简介：于美丽（1984-），女，辽宁丹东人，营口理工学院机电系教师，讲师，硕士，主要从事制图及仿真设计方法研究工作。